2.4 红外热像仪检测原理

2.4.1 大气窗口

在地球上，当电磁辐射通过大气时，会受到空气中的气体、固体颗粒的吸收和散射，其强度会衰减，不同波长衰减比例不同。图2-3所示为在海平面上1830m的水平路程所获得的光谱透过率曲线，曲线反映了电磁波的不同波段穿过大气后，光谱的透过能力是不一样的。电磁波在大气中的这种选择性衰减类似经过了一个对光谱选择过滤的窗口，称为大气窗口。红外光谱分析、光谱成像、红外热成像、红外温度测量都需要考虑大气窗口的影响。

大气窗口是指太阳辐射通过大气层未被反射、吸收和散射的那些透射率高的光辐射波段范围。由于地球大气中的各种粒子对辐射的吸收和反射，只有某些波段范围内的天体辐射才能到达地面，大气窗口主要与路程中的水蒸气、CO ₂ 及臭氧的含量有关，因此不同高程及不同地区大气窗口的宽度及透射率是有差别的。按所属范围不同，大气窗口分为光学窗口、红外窗口和射电窗口。红外窗口通常根据主要透明区的区界划分，在短波、中波、长波谱段，主要的大气窗口分别为0.7～2.5μm、3～5μm、8～14μm ^[2] 。红外热像仪探测物体的辐射需要考虑大气吸收的影响，一般工作在红外窗口。例如，HgCdTe红外热像仪在短波红外（1～3μm）、中波红外（3～5μm）和长波红外（8～14μm）3个大气窗口都可以做到接近背景限的水平 ^[3] 。

2.4.2 热像仪成像原理

红外热像仪输出的图像通常称为“热图像”，由于不同物体甚至同一物体不同部位辐射能力和它们对红外线的反射强弱不同，红外热成像系统会将物体发射的红外辐射（表面温度场）转变为人眼可见的热图像，从而使人眼的视觉范围扩展到不可见的红外区。红外镜头先将物体的红外辐射聚焦到红外热像仪上，红外热像仪再将强弱不等的辐射信号转换成相应的电信号，经过放大和视频处理，形成可供人眼观察的视频图像。利用物体与背景环境的辐射差异及物体本身各部分辐射的差异，热图像能够呈现物体各部分的辐射起伏，从而显示物体的特征。同一目标的热图像和可见光图像是不同的，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是目标表面的温度分布图像，或者说，红外热图像是将人眼不能直接看到的目标表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。

图2-4所示为非制冷型红外热像仪成像原理框图。目标物体表面发射的红外辐射，经大气的红外窗口，一般是中波和长波红外窗口，传输到物镜，即红外光学系统上，被物镜聚焦后的红外辐射传输到红外焦平面上，准确地说是到达光敏元件上。光敏元件接收到入射的红外辐射后，在红外辐射的入射位置会产生一个与入射红外辐射性能有关的局部电荷。扫描焦平面阵列的不同部位，或按顺序将电荷传送到读出器件中，读出这些电荷，红外焦平面阵列的输出信号经A/D后进入数字信号处理器（DSP）处理，A/D一般是12～16位的。非线性校正是数字信号处理器的主要功能之一，以提高图像的分辨率，输出清晰的红外图像。温控器能控制焦平面阵列的稳定性，高精度的温控器可以成功抑制由于温度微小变化而引起的工作波动。当信号以视频信号输出时，每个局部单元称作一个像元。目标物体的红外辐射到红外热像仪的视频信号的形成原理为：物体的某个单位面积与图像的某一像素相对应，像素的灰度值就是红外热像仪输出的视频信号幅度 U _s 经过放大、量化后得到的电压。根据辐射定理，考虑理想情况下的目标物体任意成像点（某个单位面积）， U _s 与波长、温度等参数满足以下关系：

其中，

式中， λ ₁ ～ λ ₂ 为红外热像仪工作的波长范围； ω 为红外热像仪的瞬时视场角； σ 为玻耳兹曼常数； T 为被测目标温度； ε （ λ ）为被测目标的光谱发射率； τ _α （ λ ）为大气透过率； R （ λ ）为红外热像仪的总光谱响应； C ₁ 、 C ₂ 分别为波长 λ ₁ 、 λ ₂ 的辐射对比度。